Низкопрофильная широкополосная высокоимпедансная магнитодиэлектрическая структура

Изобретение относится к антенной технике, в частности к высокоимпедансным широкополосным низкопрофильным основаниям (EBG-структурам или электромагнитным кристаллам) радиочастотных антенн и антенных решеток для систем связи и радаров, более конкретно к основаниям низкопрофильных широкополосных антенн и активных фазированных антенных решеток (АФАР), включая сканируемые радиооптические (радиофотонные) фазированные антенные решетки (РОФАР), а также к пассивным устройствам подавления внутрисхемных помех в быстродействующих цифровых схемах.

Для широкого спектра применений в современных системах связи, радиолокации, навигации, радиоастрономии и т.д. необходимы антенны и антенные решетки, одновременно обладающие целым комплексом противоречивых свойств: широкополосностью, низким профилем, малой взаимосвязью между излучателями, высокой эффективностью излучения.

В последние годы эти требования выполняют, в том числе, с помощью метаматериальных высокоимпедансных оснований антенн с запрещенными зонами (EBG-структур, электромагнитных кристаллов), построенных на принципах фотонных кристаллов [1-5].

Как известно [2], импеданс для поверхностных волн Z_s высокоимпедансных оснований антенн определяется с помощью формулы:

где: ω - текущая частота, L, С - индуктивность и емкость ячейки высокоимпедансной структуры соответственно, i - мнимая единица.

Резонансная частота: характеристическое сопротивление - и относительная полоса рабочих частот:

где: η₀ - волновое сопротивление свободного пространства - 377 Ом.

В тоже время индуктивность перемычек в EBG-структуре:

где: μ₀ - магнитная проницаемость вакуума, μ_r - относительная магнитная проницаемость, h - высота структуры (длина перемычки) [6].

Таким образом, практически все основные параметры EBG-структуры, имеющие определяющее значение для построения высокоэффективных антенных решеток (импеданс, который определяет затухание поверхностных волн, т.е. необходимые размеры плоскости для эффективной работы EBG -структуры, центральную частоту, относительную полосу и ее высоту), связаны с величиной индуктивности перемычек, соединяющих горизонтальные структурные элементы с экраном.

Однако, из (3) видно, что при увеличении L, пропорционально возрастает и высота профиля EBG-структуры, а, следовательно, и всей антенной решетки.

Кроме того, при увеличении длины перемычек структуры возрастает электромагнитная связь между ними, что негативно сказывается на величине импеданса для поверхностных волн Z_s (в формуле (1) она не учитывается) и ширине полосы, в которой EBG-структура эффективно работает [7].

В типичных двухслойных высокоимпедансных EBG основаниях антенн с запрещенными зонами линейные размеры структур, необходимые для их эффективного функционирования (ослабления поверхностных волн более, чем на порядок) составляют 2,94⋅λ_o, где λ_o - центральная длина волны, а в более совершенных трехслойных EBG-структурах этот размер составляет приблизительно 1,62⋅λ_o, иначе необходимого затухания поверхностных волн в относительно большой полосе частот достичь не удается [6].

Однако, для сканируемых антенных решеток, в общем случае, необходимо выдерживать расстояние между излучателями порядка 0,5⋅λ_o координатам X и Y в плоскости антенной решетки [8].

Попытки оптимизации высокоимпедансных EBG оснований для построения двухмерных сканируемых антенных решеток (АР) приводили к значительной относительной высоте профиля 0,07⋅λ_o, т.е. 1/14⋅λ_o при относительно узкой полосе частот около 17% [9].

Следовательно, EBG-структуры имеют ряд ограничений и недостатков, делающих принципиально невозможным их применение в качестве низкопрофильных оснований двумерных многоэлементных широкополосных сканируемых антенных решеток АФАР и РОФАР.

Для решения задачи создания высокоэффективных сканируемых широкополосных антенных решеток с одновременным сохранением их низкого профиля с применением высокоимпедансных EBG оснований необходимо преодолеть ряд научно-технических проблем.

Для сравнительной оценки основных характеристик высокоимпедансных структур можно предложить простой коэффициент качества, равный относительной ширине полосы рабочих частот деленной на относительную высоту структуры для длины волны на нижней границе полосы λ_н:

Типичные значения от 10 до 50%; от 1/20λ_н до 1/36λ_н [6,7], поэтому К_ВИС будет от 11,95 до 12,7.

1. Известна высокоимпедансная 3-х слойная EBG-структура [3] (фиг. 14 источника), состоящая из металлического основания, 2-х этажей перекрывающихся между собой металлических горизонтальных пластин, соединенных с основанием при помощи вертикальных металлических перемычек и разделенных между собой и основанием слоями диэлектрика.

Недостатки известной EBG-структуры состоят в следующем:

а) малая погонная индуктивность перемычек не позволяет строить структуры с достаточным импедансом для поверхностных волн, с размерами, соответствующими требуемому расстоянию между излучателями многоэлементных сканируемых антенных решеток.

б) малая погонная индуктивность перемычек не позволяет строить широкополосные и сверхширокополосные структуры с низким и ультранизким профилем (h≤1/30⋅λ_о).

в) значительное поле рассеяния перемычек обуславливают паразитную электромагнитную связь между ними, что ограничивает полосу пропускания и результирующий импеданс структуры.

2. Известна высокоимпедансная EBG-структура [9] (фиг. 1 источника), состоящая из металлического основания, металлических горизонтальных пластин, соединенных с основанием при помощи вертикальных металлических перемычек и разделенных слоями диэлектрика.

За счет многопараметрической оптимизации EBG-структуры достигнуты приемлемые геометрические размеры для реализации на ее основе АР со сканированием луча (0,54λ_о× 0,45λ_о×0,07λ_о).

Недостатки известной EBG-структуры состоят в следующем:

а) относительно большая высота профиля (h=0,07λ_о т.е. 1/14λ_о);

б) относительно узкая полоса рабочих частот: меньше или равна 17%;

в) значительное поле рассеяния перемычек обуславливает паразитную электромагнитную связь между ними, что ограничивает полосу пропускания и результирующий импеданс структуры.

Единая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение - одновременное значительное (кратное) расширение полосы частот (широкополосности), снижение высоты профиля и уменьшение линейных размеров плоскости EBG-структуры, а также уменьшение паразитной электромагнитной связи между ее ячейками.

Для этого предлагается вертикальные перемычки поместить полностью в трубки из высокочастотного феррита, которые выполнят функции броневых сердечников.

Сущность заявляемого изобретения заключается в кратном увеличении индуктивности прямого провода, полностью помещенного в кольцевой (трубчатый) магнитный сердечник из высокочастотного феррита с малыми потерями.

Действительно, из формулы (3) следует, что при полном помещении прямого провода (перемычки) внутрь кольцевого ферритового сердечника с относительной магнитной проницаемостью μ_r происходит увеличение индуктивности L в μ_r раз.

Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, одновременно выражается в следующем:

а) в расширении полосы частот за счет увеличения индуктивности перемычек в EBG-структуре без увеличения емкости;

б) в уменьшении паразитной электромагнитной связи между перемычками за счет ограничения пространства электромагнитного поля перемычек внутри ферритовых трубок, так же, как и в броневых сердечниках [10];

в) в уменьшении высоты профиля EBG-структуры, за счет возможности достижения необходимого значения индуктивности на малых промежутках (высотах) между основанием и ее верхней плоскостью;

г) в уменьшении линейных размеров плоскости EBG-структур до значений меньше или равного λо по обеим координатам, что дает возможность построения оснований многоэлементных плоских сканируемых антенных решеток.

Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения (фиг. 1а, 1б) достигается тем, что по сравнению с известной высокоимпедансной 3-х слойной EBG-структурой [3], являющейся наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению, с общими признаками: наличие металлического основания 1, двух этажей, перекрывающихся между собой металлических горизонтальных пластин 2 и 3, соединенных с основанием при помощи вертикальных металлических перемычек 4 и разделенных между собой и основанием слоями диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью ε, введены трубки из высокочастотного феррита 5, в которые полностью помещены все перемычки 4.

Таким образом, одновременно, согласно формуле (3), возрастает индуктивность перемычек в μ_r раз и уменьшается паразитная связь между ними, т.е. уменьшается резонансная частота при одновременном увеличении полосы частот и уменьшении внутриструктурной паразитной электромагнитной связи, которая в обычных EBG-структурах снижала результирующий импеданс, а также, согласно формуле (1), возрастает импеданс структуры, что позволяет получать необходимый импеданс при ее меньших линейных размерах.

Следовательно, в совокупности общий выигрыш эффективности при применении предлагаемой низкопрофильной широкополосной высокоимпедансной магнитодиэлектрической структуры может превышать μ_r раз.

Так как ц_г современных высокочастотных ферритов составляет порядка 10 в частотном диапазоне до 2,45 ГГц [11], то в совокупности общий выигрыш эффективности может превышать 10 раз.

Эффективность применения трубок высокочастотных ферритов в качестве броневых сердечников перемычек высокоимпедансных EBG-структур демонстрируется на фиг. 2а и 2б, причем слева (а) - частотная характеристика (S21) обычной структуры, б- аналогичной с ферритовыми трубками. Из фиг. 2 видно, что резонансная частота снизилась почти в 2 раза, ширина полосы по уровню - 10 дБ расширилась почти в 3 раза при тех же размерах, что соответствует значительному увеличению импеданса для поверхностных волн, а также возможности значительного повышения степени шумоподавления в случае применения данной структуры внутри плат быстродействующих цифровых систем.

Источники информации

1. Е. Yablonovitch. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics // Physical Rev. Lett. - 1987. - V. 58., No. 20, p. 2059-2062.

2. D. Sievenpiper, L. Zhang, R.F. Jimenez Broas, N. G. Alexopolous, and E. Yablonovitch. High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band II IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1999. - V. 47., No. 11, p. 2059-2074.

3. Circuit and Method for Eliminating Surface Current on Metals: US 6262495 B1 / E. Yablonovitch, D. Sievenpiper, Int. Cl. H01Q 1/38; US C1, 307/101; 327/593; 333/12; Jul. 17, 2001.

4. Зайцев Д.Ф. Антенны на основе материалов с электромагнитными запрещенными зонами (EBG) // Антенны. - 2008. - Вып.10, - с. 62-79.

5. Зайцев Д.Ф. Нанофотоника и ее применение - Монография, М.: Изд. «АКТЕОН», 2012 г., 445 с, с илл. ISBN 978-5-91142-045-1.

6. Yuan Т., Ouslimani Н.Н., Priou А.С., Lacotte G. and Collignon G. Dual-Layer EBG Structures for Low-Profile "Bent" Monopole Antennas // Progress In Electromagnetics Research В.- 2013.-V. 47. - p. 315-337.

7. Best S.R., Hanna D.L. Design of a Broadband Dipole in Close Proximity to an EBG Ground Plane // IEEE Antennas and Propagation Magazine. - 2008. - V. 50, No. 6, p. 52-64.

8. Справочник по радиолокации в 4 т./ под. ред. М.И. Сколника. - М.: Сов. Радио, 1976. - Т. 1: Основы радиолокации. - 456 с.

9. Beam-Steered Wide Bandwidth Electromagnetic Band Gap Antenna: US 2015/0130673 A1 /J. Ng, C.G. Gilbert, Int. Cl. H01Q 19/02; G06F 17/50; H01Q 1/32 May. 14, 2015.

10. Радиоприемные устройства. Под общей редакцией Сифорова В.И., М.: Изд. Советское радио, 5-е изд., 1974 г., с. 179, 559 с.

11. Гуревич В. Ферритовые фильтры // Компоненты и технологии. - 2015. - №10, с. 16-18.